用于电池电极制造的粉末表征

2026-04-07

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引言

全球变暖已成为现代世界的一个主要问题。电动汽车和可再生能源似乎是解决这个问题的可行方案，但以电能形式储存大量能量至关重要，并且仍然是一个巨大的挑战。因此，由于减少二氧化碳排放的持续需求，电池的制造及其改进成为一个重要课题。现代电池需要许多不同的品质，如安全性、稳定性、快速充电、易于回收、合理的成本等11。这些品质只有通过良好的制造过程控制才能实现。电极的制造受到了特别关注。事实上，电极对电池的良好运行及其性能起着核心作用。

虽然选择阳极/电解质/阴极这三者化学组合很重要，但电极的结构对电池性能有显著影响22。构成电极的活性材料必须尽可能致密，以确保良好的重量/容量比。然而，同时它又需要足够多孔，以确保与电解液的良好电荷交换，从而影响电池的充电速度。因此，电极的质量是制造过程中的一个关键点。

电极制造

不同性质的粉末被用于生产电极，特别是对于全固态电池33。最近的研究强调了制造过程中粉末阶段对电池性能的影响44。不同混合时间和不同混合强度制备的粉末会导致不同的电池性能。因此，观察到粉末制备会影响电池的最终质量。此外，成型是一个关键步骤，因为电极的结构很重要。对于全固态电池，粉末必须表现出良好的流动特性，以确保良好且易于加工，并避免出现问题。在将粉末用于工艺之前对其进行良好表征，应作为电池制造的良好实践。

粉末表征

用于电池制造的粉末是由活性材料、导电添加剂（大部分时候是炭黑）和粘合剂组成的混合物。活性材料与电解液中的离子相互作用，在充电或放电过程中交换电子；导电添加剂用于提高电极的导电性；粘合剂用于提高对集流体的附着力和电极的牢固度。这三种成分产生的原始粉末具有非常不同的特性，因此可以预期混合物的整体行为会因混合类型和使用的相对比例而有所不同。然而，即使基于颗粒特性的知识，如粒径分布、颗粒形状和化学性质，由于颗粒之间复杂的相互作用以及构成粉末的大量颗粒，预测粉末的流变性和流动性也是很困难的。表征混合物在干法工艺中的整体特性（如流动性）至关重要，因为粉末必须能够轻松地输送并铺展在集流体基材上。其可加工性在很大程度上取决于粉末本身及其所承受的剪切应力。粉末的密度及其增加密度的能力也可能是重要的了解信息，因为电极必须尽可能致密，因此一些工艺会使用压延来改善这一特性。

GranuTools 提供了一套不同的仪器，可以表征粉末的整体和流变特性。这些表征有助于更好地理解控制粉末质量的参数。此外，研究粉末流变性有助于提高可加工性，从而获得更好的电极最终质量。

参考文献

[1] S. Li, S.Q. Zhang, L. Shen, Q. Liu, J.B. Ma, W. Lv, Y.B. He and Q.H. Yang, Progress and perspective of ceramic/polymer composite solid electrolytes for lithium batteries, Adv. Sci 7, 1903088 (2020).

[2] W. Bauer, Special features of powder technology for the production of lithium-ion batteries, Interceram-Int. Ceram. Rev. 68, 18-21 (2019).

[3] J. Janek and W. G. Zeier, A solid future for battery development, Nat. Energy 1, 1-4 (2016).

[4] H. Bockholt, W. Haselrieder and A. Kwade, Intensive powder mixing for dry dispersing of carbon black and its relevance for lithium-ion battery cathodes, Powder Technol. 297, 266-274 (2016).

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